"Invisibility Caps" sono ancora invisibili

L'ultimo di una serie di "mantelli dell'invisibilità" è quello nato all'Università di Rochester (1), che utilizza l'apposito sistema ottico. Tuttavia, gli scettici lo chiamano una sorta di trucco illusionistico o effetto speciale, in cui un sistema di lenti intelligente rifrange la luce e inganna la visione dell'osservatore.

C'è una matematica piuttosto avanzata dietro a tutto: gli scienziati devono usarla per trovare come impostare i due obiettivi in ​​modo che la luce venga rifratta in modo tale da poter nascondere l'oggetto direttamente dietro di loro. Questa soluzione funziona non solo guardando direttamente le lenti: è sufficiente un angolo di 15 gradi o un altro.

1. "Capo dell'invisibilità" dell'Università di Rochester.

Può essere utilizzato nelle auto per eliminare i punti ciechi negli specchietti o nelle sale operatorie, consentendo ai chirurghi di vedere attraverso le mani. Questo è un altro di una lunga serie di rivelazioni in merito tecnologia invisibileche ci sono giunti negli ultimi anni.

Nel 2012 abbiamo già sentito parlare del "Cap of Invisibility" dell'American Duke University. Solo i più curiosi lessero allora che si trattava dell'invisibilità di un piccolo cilindro in un minuscolo frammento dello spettro delle microonde. Un anno prima, i funzionari della Duke riferirono della tecnologia stealth del sonar che potrebbe sembrare promettente in alcuni ambienti.

Sfortunatamente, lo era invisibilità solo da un certo punto di vista e in un ambito ristretto, che ha reso la tecnologia di scarsa utilità. Nel 2013, gli instancabili ingegneri della Duke hanno proposto un dispositivo stampato in 3D che mimetizzava un oggetto posto all'interno con microfori nella struttura (2). Tuttavia, ancora una volta, ciò è accaduto in una gamma limitata di onde e solo da un certo punto di vista.

Nelle fotografie pubblicate su Internet, sembrava promettente il mantello dell'azienda canadese Hyperstealth, che nel 2012 è stato pubblicizzato con l'intrigante nome Quantum Stealth (3). Sfortunatamente, i prototipi funzionanti non sono mai stati mostrati, né è stato spiegato come funziona. L'azienda cita i problemi di sicurezza come motivo e riferisce in modo criptico che sta preparando versioni segrete del prodotto per i militari.

Monitor anteriore, fotocamera posteriore

Primo modernocappuccio dell'invisibilità» Introdotto dieci anni fa dall'ingegnere giapponese Prof. Susumu Tachi dell'Università di Tokyo. Ha usato una telecamera posizionata dietro un uomo che indossava un cappotto che era anche un monitor. L'immagine della fotocamera posteriore è stata proiettata su di essa. L'uomo ammantato era "invisibile". Un trucco simile è utilizzato dal dispositivo di mimetizzazione per veicoli Adaptiv introdotto nel decennio precedente da BAE Systems (4).

Visualizza un'immagine a infrarossi "da dietro" sull'armatura del carro armato. Una macchina del genere semplicemente non si vede nei dispositivi di avvistamento. L'idea di mascherare gli oggetti ha preso forma nel 2006. John Pendry dell'Imperial College London, David Schurig e David Smith della Duke University hanno pubblicato la teoria dell'"ottica di trasformazione" sulla rivista Science e hanno presentato come funziona nel caso delle microonde (lunghezze d'onda più lunghe della luce visibile).

2. Un "cappello dell'invisibilità" stampato in tre dimensioni.

Con l'aiuto di opportuni metamateriali, un'onda elettromagnetica può essere piegata in modo tale da bypassare l'oggetto circostante e tornare sul suo percorso attuale. Il parametro che caratterizza la reazione ottica generale del mezzo è l'indice di rifrazione, che determina quante volte più lentamente che nel vuoto, la luce si muove in questo mezzo. Lo calcoliamo come radice del prodotto della permeabilità elettrica e magnetica relativa.

permeabilità elettrica relativa; determina quante volte la forza di interazione elettrica in una data sostanza è inferiore alla forza di interazione nel vuoto. Pertanto, è una misura della forza con cui le cariche elettriche all'interno di una sostanza rispondono a un campo elettrico esterno. La maggior parte delle sostanze ha una permittività positiva, il che significa che il campo modificato dalla sostanza ha ancora lo stesso significato del campo esterno.

La permeabilità magnetica relativa m determina come cambia il campo magnetico in uno spazio riempito con un determinato materiale, rispetto al campo magnetico che esisterebbe nel vuoto con la stessa sorgente di campo magnetico esterno. Per tutte le sostanze presenti in natura, la permeabilità magnetica relativa è positiva. Per i supporti trasparenti come vetro o acqua, tutte e tre le quantità sono positive.

Quindi la luce, passando dal vuoto o dall'aria (i parametri dell'aria sono solo leggermente diversi dal vuoto) nel mezzo, viene rifratta secondo la legge di rifrazione e il rapporto tra il seno dell'angolo di incidenza e il seno dell'angolo di rifrazione è uguale all'indice di rifrazione per questo mezzo. Il valore è minore di zero; e m significa che gli elettroni all'interno del mezzo si muovono nella direzione opposta alla forza creata dal campo elettrico o magnetico.

Questo è esattamente ciò che accade nei metalli, in cui il gas di elettroni liberi subisce le proprie oscillazioni. Se la frequenza di un'onda elettromagnetica non supera la frequenza di queste oscillazioni naturali degli elettroni, allora queste oscillazioni schermano il campo elettrico dell'onda in modo così efficace da non consentirle di penetrare in profondità nel metallo e persino creare un campo diretto in modo opposto al campo esterno.

Di conseguenza, la permittività di un tale materiale è negativa. Incapace di penetrare in profondità nel metallo, la radiazione elettromagnetica viene riflessa dalla superficie del metallo e il metallo stesso acquisisce una lucentezza caratteristica. E se entrambi i tipi di permittività fossero negativi? Questa domanda è stata posta nel 1967 dal fisico russo Viktor Veselago. Si scopre che l'indice di rifrazione di un tale mezzo è negativo e la luce viene rifratta in un modo completamente diverso da quanto segue dalla normale legge di rifrazione.

5. Rifrazione negativa sulla superficie di un metamateriale - visualizzazione

Quindi l'energia dell'onda elettromagnetica viene trasferita in avanti, ma i massimi dell'onda elettromagnetica si muovono nella direzione opposta alla forma dell'impulso e dell'energia trasferita. Tali materiali non esistono in natura (non ci sono sostanze con permeabilità magnetica negativa). Solo nella pubblicazione del 2006 sopra citata e in molte altre pubblicazioni realizzate negli anni successivi, è stato possibile descrivere e, quindi, costruire strutture artificiali con indice di rifrazione negativo (5).

Si chiamano metamateriali. Il prefisso greco "meta" significa "dopo", cioè si tratta di strutture realizzate con materiali naturali. I metamateriali acquisiscono le proprietà di cui hanno bisogno costruendo minuscoli circuiti elettrici che imitano le proprietà magnetiche o elettriche del materiale. Molti metalli hanno una permeabilità elettrica negativa, quindi è sufficiente lasciare spazio agli elementi che danno una risposta magnetica negativa.

Invece di un metallo omogeneo, molti sottili fili metallici disposti a forma di griglia cubica sono attaccati a una piastra di materiale isolante. Modificando il diametro dei fili e la distanza tra loro, è possibile regolare i valori di frequenza a cui la struttura avrà una permeabilità elettrica negativa. Per ottenere una permeabilità magnetica negativa nel caso più semplice, il design consiste in due anelli rotti realizzati con un buon conduttore (ad esempio oro, argento o rame) e separati da uno strato di un altro materiale.

Tale sistema è chiamato risonatore ad anello diviso - abbreviato in SRR, dall'inglese. Risuonatore ad anello diviso (6). A causa degli spazi vuoti negli anelli e della distanza tra loro, ha una certa capacità, come un condensatore, e poiché gli anelli sono fatti di materiale conduttivo, ha anche una certa induttanza, ad es. capacità di generare correnti.

I cambiamenti nel campo magnetico esterno dall'onda elettromagnetica fanno fluire una corrente negli anelli e questa corrente crea un campo magnetico. Si scopre che con un design appropriato, il campo magnetico creato dal sistema è diretto opposto al campo esterno. Ciò si traduce in una permeabilità magnetica negativa di un materiale contenente tali elementi. Impostando i parametri del sistema metamateriale, si può ottenere una risposta magnetica negativa in una gamma abbastanza ampia di frequenze d'onda.

meta - edificio

Il sogno dei progettisti è costruire un sistema in cui le onde fluiscano idealmente intorno all'oggetto (7). Nel 2008, gli scienziati dell'Università della California, Berkeley, per la prima volta nella storia, hanno creato materiali tridimensionali che hanno un indice di rifrazione negativo per la luce visibile e del vicino infrarosso, piegando la luce in una direzione opposta alla sua direzione naturale. Hanno creato un nuovo metamateriale combinando l'argento con il fluoruro di magnesio.

Quindi viene tagliato in una matrice composta da aghi in miniatura. Il fenomeno della rifrazione negativa è stato osservato a lunghezze d'onda di 1500 nm (vicino infrarosso). All'inizio del 2010, Tolga Ergin del Karlsruhe Institute of Technology e colleghi dell'Imperial College London hanno creato invisibile tenda leggera. I ricercatori hanno utilizzato materiali disponibili sul mercato.

Hanno usato cristalli fotonici posati su una superficie per coprire una sporgenza microscopica su una lastra d'oro. Quindi il metamateriale è stato creato da lenti speciali. Le lenti opposte alla gobba sulla lastra sono posizionate in modo tale che, deviando parte delle onde luminose, eliminino la dispersione della luce sul rigonfiamento. Osservando la lastra al microscopio, utilizzando una luce con una lunghezza d'onda vicina a quella della luce visibile, gli scienziati hanno visto una lastra piatta.

Successivamente, i ricercatori della Duke University e dell'Imperial College di Londra sono stati in grado di ottenere un riflesso negativo delle radiazioni a microonde. Per ottenere questo effetto, i singoli elementi della struttura del metamateriale devono essere inferiori alla lunghezza d'onda della luce. Quindi è una sfida tecnica che richiede la produzione di strutture metamateriali molto piccole che corrispondano alla lunghezza d'onda della luce che dovrebbero rifrangere.

La luce visibile (dal viola al rosso) ha una lunghezza d'onda da 380 a 780 nanometri (un nanometro è un miliardesimo di metro). I nanotecnologi dell'Università scozzese di St. Andrews sono venuti in soccorso. Hanno ottenuto un singolo strato di metamateriale a maglie estremamente fitte. Le pagine del New Journal of Physics descrivono un metaflex capace di piegare lunghezze d'onda di circa 620 nanometri (luce rosso-arancio).

Nel 2012, un gruppo di ricercatori americani dell'Università del Texas ad Austin ha escogitato un trucco completamente diverso usando le microonde. Un cilindro con un diametro di 18 cm è stato rivestito con un materiale plasma a impedenza negativa, che consente la manipolazione delle proprietà. Se ha esattamente le proprietà ottiche opposte dell'oggetto nascosto, crea una sorta di "negativo".

Pertanto, le due onde si sovrappongono e l'oggetto diventa invisibile. Di conseguenza, il materiale può piegare diverse gamme di frequenza dell'onda in modo che scorrano attorno all'oggetto, convergendo sull'altro lato di esso, cosa che potrebbe non essere percepibile da un osservatore esterno. I concetti teorici si stanno moltiplicando.

Circa una dozzina di mesi fa, Advanced Optical Materials ha pubblicato un articolo su uno studio forse rivoluzionario condotto da scienziati dell'Università della Florida centrale. Chissà se non sono riusciti a superare le restrizioni vigenti su "cappelli invisibili» Costruito da metamateriali. Secondo le informazioni pubblicate, è possibile la scomparsa dell'oggetto nel campo della luce visibile.

7. Modi teorici di piegare la luce su un oggetto invisibile

Debashis Chanda e il suo team descrivono l'uso di un metamateriale con una struttura tridimensionale. È stato possibile ottenerlo grazie al cosiddetto. stampa nanotransfer (NTP), che produce nastri dielettrici metallici. L'indice di rifrazione può essere modificato con metodi di nanoingegneria. Il percorso di propagazione della luce deve essere controllato nella struttura superficiale tridimensionale del materiale mediante il metodo della risonanza elettromagnetica.

Gli scienziati sono molto cauti nelle loro conclusioni, ma dalla descrizione della loro tecnologia è abbastanza chiaro che i rivestimenti di un tale materiale sono in grado di deviare in larga misura le onde elettromagnetiche. Inoltre, il modo in cui si ottiene il nuovo materiale consente la produzione di vaste aree, il che ha portato alcuni a sognare combattenti coperti da una mimetica tale da fornire loro invisibilità completo, dal radar alla luce diurna.

I dispositivi di occultamento che utilizzano metamateriali o tecniche ottiche non provocano la scomparsa effettiva degli oggetti, ma solo la loro invisibilità agli strumenti di rilevamento, e presto, forse, alla vista. Tuttavia, ci sono già idee più radicali. Jeng Yi Lee e Ray-Kuang Lee della Taiwan National Tsing Hua University hanno proposto un concetto teorico di un "mantello dell'invisibilità" quantistico in grado di rimuovere gli oggetti non solo dal campo visivo, ma anche dalla realtà nel suo insieme.

Funzionerà in modo simile a quanto discusso sopra, ma verrà utilizzata l'equazione di Schrödinger al posto delle equazioni di Maxwell. Il punto è allungare il campo di probabilità dell'oggetto in modo che sia uguale a zero. Teoricamente, questo è possibile su microscala. Tuttavia, ci vorrà molto tempo per attendere le possibilità tecnologiche della produzione di una tale copertura. Come qualsiasi "cappuccio dell'invisibilità“Il che si può dire che stava davvero nascondendo qualcosa alla nostra vista.